Incertezza in PDFHA: studio di sensitività e applicazione al bacino di Rieti (Italia centrale).

This doctoral research was conducted within the framework of GEOSCIENCES IR, a Research Infrastructure for the Italian Geological Surveys Network, funded by the PNRR program. This project aims to establish a national digital infrastructure integrating geological, geophysical, and geochemical data and services from the Italian Geological Surveys Network (RISG). Within this initiative, Work Package 4 (WP4) focuses on Risk Monitoring and Management, addressing geological and hydrogeological hazards, active faulting, and their implications for critical infrastructure. The doctoral research specifically investigates active and capable faults, with emphasis on Probabilistic Fault Displacement Hazard Analysis (PFDHA), a key methodology for assessing the likelihood and intensity of surface faulting during seismic events. The study is structured around three main activities: (i) a sensitivity analysis of PFDHA input parameters using a One-At-a-Time (OAT) approach, which represents the core focus of this research; (ii) the application of the PFDHA methodology to the Southern Boundary Fault (SBF) of the Rieti Basin (Central Italy), serving as a case study for testing and contextualizing the analytical results; and (iii) the integration and harmonization of surface rupture datasets from selected earthquakes of the Fault Displacement Hazard Initiative (FDHI) into the SURE 2.0 database, an ongoing task aimed at improving the standardization and completeness of fault rupture data for future analyses. Dataset integration focused on ensuring consistency between FDHI and SURE 2.0 standards through systematic review and correction of rupture geometries and classification schemes. This effort improved the completeness and reliability of the SURE 2.0 database, strengthening its role as a reference for future fault displacement hazard analyses. The sensitivity of PFDHA results to the adopted parametrizations was investigated by evaluating the contribution of different input parameters to fault displacement hazard. The analysis was performed using a One-At-a-Time strategy, in which each parameter is modified with respect to three kinematic-specific baseline scenarios. The resulting outputs were examined in relation to regression models and scaling laws commonly applied in the literature. The effects of (i) magnitude inferred from rupture area (m|area), (ii) magnitude–frequency distributions (MFD), (iii) probability of surface rupture (PSR), (iv) average displacement as a function of magnitude (AD|m), and (v) the displacement-to-average displacement ratio (D/AD) were assessed. Hazard curves were computed using a MATLAB script, and percentage differences in the annual frequency of exceedance were quantified by comparing each simulation with the baseline. Results indicate that the choice of scaling relations, regression coefficients, and associated standard deviations exerts a measurable influence on hazard curves, with m|area, MFD, and PSR primarily affecting the plateau region, and AD|m and D/AD controlling the tail region. The analysis underscores the importance of transparent model selection and explicit uncertainty treatment in PFDHA applications. By clarifying how modeling choices affect hazard estimates, it contributes to a better understanding of methodological variability and supports more informed use of PFDHA in seismic hazard assessment. Finally, the case study on the Southern Boundary Fault of the Rieti Basin applied the PFDHA framework to three rupture scenarios, Western Segment (WS), Eastern Segment (ES), and Total Boundary Fault (TBF), evaluating both principal and distributed ruptures. Hazard curves were generated for different exceedance probabilities over a 200-year period and varying distances from fault traces. The results provide a preliminary characterization of fault displacement hazard for the Rieti Basin, contributing to the integration of fault-based seismic hazard assessment into regional seismotectonic analyses.

L'attività di dottorato è stata condotta nell’ambito di GEOSCIENCES IR, un’infrastruttura di ricerca per la Rete dei Servizi Geologici Italiani, finanziata dal programma PNRR – Unione Europea – NextGenerationEU. Il progetto GEOSCIENCES IR ha l’obiettivo di istituire un’infrastruttura digitale nazionale che integri dati e servizi geologici, geofisici e geochimici provenienti dalla Rete dei Servizi Geologici Italiani (RISG), promuovendo un accesso ai dati interoperabile e conforme ai principi FAIR. All’interno di questa iniziativa, il Work Package 4 (WP4) è dedicato al Monitoraggio e Gestione del Rischio, affrontando i temi dei rischi geologici e idrogeologici, della fagliazione attiva e delle loro implicazioni per le infrastrutture critiche. La ricerca indaga in particolare le faglie attive e capaci, con enfasi sulla Probabilistic Fault Displacement Hazard Analysis (PFDHA), una metodologia chiave per la valutazione della probabilità e dell’intensità della fagliazione superficiale durante eventi sismici. Lo studio è articolato in tre attività principali: (i) un’analisi di sensitività dei parametri di input della PFDHA mediante un approccio One-At-a-Time (OAT), che rappresenta il nucleo principale della ricerca; (ii) l’applicazione della metodologia PFDHA alla Faglia del Margine Meridionale del Bacino di Rieti (Italia centrale), utilizzata come caso di studio per testare e contestualizzare i risultati analitici; (iii) l’integrazione e armonizzazione dei dati relativi a fagliazione superficiale relativi a eventi sismici selezionati dal database di Fault Displacement Hazard Initiative (FDHI) nel database SURE 2.0, un’attività ancora non completata e volta a migliorare la standardizzazione e la completezza dei dati di fagliazione superficiale per analisi future. La sensitività dei risultati della PFDHA rispetto alle parametrizzazioni adottate è stata indagata valutando il contributo dei diversi parametri di input relativi all’approccio probabilistico. L’analisi è stata condotta utilizzando una strategia One-At-a-Time, in cui ciascun parametro è stato modificato rispetto a tre scenari di base specifici per ciascuna cinematica. Gli output risultanti sono stati confrontati con modelli di regressione e leggi di scala comunemente adottati in letteratura. Sono stati valutati gli effetti di: (i) relazioni magnitudo-area (m|area), (ii) modelli di distribuzioni magnitudo-frequenza (MFD), (iii) probabilità di fagliazione superficiale (PSR), (iv) displacement medio in funzione della magnitudo (AD|m), e (v) rapporto tra displacement e displacement medio (D/AD). I risultati indicano che la scelta delle relazioni di scala, dei coefficienti di regressione e delle deviazioni standard associate esercita un’influenza misurabile sulle curve di hazard: m|area, MFD e PSR influenzano principalmente la regione di plateau, mentre AD|m e D/AD controllano la regione relativa a valori di displacement maggiori. Complessivamente, l’analisi evidenzia l’importanza di una scelta trasparente dei modelli e di un trattamento esplicito dell’incertezza nelle applicazioni della metodologia PFDHA. Lo contribuisce a una migliore comprensione della variabilità metodologica e supporta un uso più affidabile e consapevole della PFDHA nella valutazione della pericolosità sismica. Infine, il caso di studio sulla Faglia del Margine Meridionale del Bacino di Rieti ha applicato il framework della PFDHA a tre scenari di rottura, individuati come Segmento Occidentale (WS), Segmento Orientale (ES) e Faglia Totale di Margine (TBF), valutando sia le rotture principali sia quelle distribuite. Le curve di hazard sono state generate per diverse probabilità di superamento (1%, 2%, 10%) su un periodo di 200 anni e a distanze variabili dalle tracce della faglia principale. I risultati forniscono una preliminare di displacement hazard per il Bacino di Rieti.